asmi、so、gb斷裂柔度測(cè)試方法的修訂

asmi、so、gb斷裂柔度測(cè)試方法的修訂

1斷裂測(cè)試技術(shù)的進(jìn)展隨著航空、高速鐵路、堆垛工程和科學(xué)研究的快速發(fā)展，對(duì)金屬合金污染的要求日益增長(zhǎng)。近20年,關(guān)于KIC、JIC、da/dN測(cè)試,國(guó)內(nèi)外先后推出了一系列標(biāo)準(zhǔn),MTS、Zwick等一些試驗(yàn)機(jī)廠家推出了基于標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用測(cè)試軟件。在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用過(guò)程中,斷裂力學(xué)測(cè)試新問(wèn)題和新方法不斷提出來(lái),其中一些問(wèn)題在升級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中獲得解決。然而,由于斷裂測(cè)試所基于的理論、機(jī)理和方法相對(duì)比較復(fù)雜,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的一些方法不僅需要正確理解,而且面對(duì)不同構(gòu)形、不同力學(xué)性能的繁多材料和特殊測(cè)試環(huán)境,現(xiàn)行規(guī)范及相應(yīng)斷裂測(cè)試應(yīng)用軟件不同程度存在適應(yīng)性問(wèn)題,因此需要面對(duì)新問(wèn)題在方法上進(jìn)一步研討,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新,推動(dòng)斷裂測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。KIC、JIC、da/dN測(cè)試中,柔度測(cè)試技術(shù)、高溫測(cè)試技術(shù)、斷裂有效性條件、試樣尺寸效應(yīng)、高強(qiáng)材料斷裂測(cè)試方法以及超高周疲勞裂紋擴(kuò)展速率等是值得廣泛關(guān)注的內(nèi)容。目前國(guó)際規(guī)范關(guān)于柔度測(cè)試技術(shù)存在的問(wèn)題是:(1)FFCT(MTS790.50∶Front-ForceCT,ISO12135∶Straight-notch)試樣適用于大、小試樣和高溫環(huán)境的延性斷裂韌性柔度測(cè)試,且包括MTS公司均采用了FFCT試樣,但所有規(guī)范均未明確推薦FFCT試樣,也無(wú)相應(yīng)系統(tǒng)的柔度測(cè)試方法與公式描述;(2)單試樣柔度方法的重要應(yīng)用場(chǎng)合是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試軟件,測(cè)試中需要實(shí)時(shí)計(jì)算與顯示當(dāng)前卸載下的J積分與裂紋擴(kuò)展量等信息,但新國(guó)標(biāo)GB21143-2007與ISO12135-2002(E)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺口型LLCT(Loadinglinecompacttensile)試樣和SEB(Singleedgedbending)試樣雖然推薦了多級(jí)卸載柔度方法,各規(guī)范條款中卻均無(wú)迭代式J積分、塑性功計(jì)算列式,這是現(xiàn)行規(guī)范中存在的系統(tǒng)性問(wèn)題之一;(3)疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試中,在較高頻率疲勞條件下COD引伸計(jì)存在不同程度的慣性力效應(yīng),對(duì)裂紋長(zhǎng)度測(cè)試精度帶來(lái)影響,這類問(wèn)題與解決方案未在現(xiàn)行規(guī)范條款中得到重視;(4)在現(xiàn)行斷裂測(cè)試國(guó)際規(guī)范中尚無(wú)高溫柔度測(cè)試技術(shù)的推薦方案;(5)延性斷裂韌性測(cè)試國(guó)際規(guī)范中的單試樣法允許采用一個(gè)試樣通過(guò)多級(jí)卸載柔度測(cè)試獲得相對(duì)多試樣法斷裂信息更為豐富的JR阻力曲線,但是單試樣并不足以反映同批材料的斷裂特性分散程度,因此1~3個(gè)試樣規(guī)定不僅需要更訂(2006?？趪?guó)標(biāo)GB/T21143-2007審定會(huì)上在作者釋義后已在新規(guī)范5.2款中更訂為“足夠數(shù)量的試樣”),且需要提出基于多個(gè)單試樣JR阻力曲線或JQ的統(tǒng)計(jì)分析方法。解決標(biāo)準(zhǔn)中以上柔度測(cè)試問(wèn)題的相關(guān)創(chuàng)新公式和新方法已在本文中提出和推薦,一些問(wèn)題還需要繼續(xù)研究。2材料的延性斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展為測(cè)試多級(jí)卸載下斷裂韌度,靜態(tài)裂紋與疲勞裂紋擴(kuò)展條件的裂紋長(zhǎng)度,應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試方法的柔度測(cè)試技術(shù)均被GB標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)[1~8]推薦。在斷裂韌性測(cè)試和疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè)試上,基于柔度法的單試樣法可揭示材料延性斷裂韌性的分散程度,經(jīng)濟(jì)、有效地揭示影響裂紋擴(kuò)展的加載速率效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)。國(guó)內(nèi)已有工作[9,10,11,12,13,14]對(duì)柔度測(cè)試方法的應(yīng)用和問(wèn)題進(jìn)行研究,討論過(guò)關(guān)于裂紋長(zhǎng)度、彈性模量測(cè)試的一些方法和建議。2.1ffct的柔度法與概況對(duì)于包括MTS的一些著名材料試驗(yàn)機(jī)公司,JIC專用測(cè)試軟件中(如MTS790.50)允許采用直通型FFCT試樣和SEB試樣在裂紋端面測(cè)裂紋嘴張開(kāi)位移(CMOD:Crackmouthopendisplacement)ν0,以相應(yīng)的卸載柔度C0(C0=ν0/P,P:卸載曲線P~ν0上的載荷)確定裂紋長(zhǎng)度或穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展量,而J積分計(jì)算中的塑性功Up應(yīng)當(dāng)采用加載線裂紋張開(kāi)位移(COD:Crackopendisplacement)νLL和加載線卸載柔度CLL來(lái)計(jì)算,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和MTS相關(guān)資料中對(duì)獲得CLL和νLL的方法基調(diào)是:無(wú)論何種方式,只要測(cè)得裂紋長(zhǎng)度a,則可應(yīng)用現(xiàn)行規(guī)范推薦的CLL=f(a/w)公式求出CLL,進(jìn)而由CLL=νLL/P求出νLL。因此對(duì)于直通型缺口試樣,當(dāng)采用柔度法時(shí),可以推論:采用P-ν0卸載曲線,如果裂紋長(zhǎng)度a可基于a/w=f(C0)關(guān)系確定,則求出CLL、νLL進(jìn)而得到Up應(yīng)無(wú)困難。目前各規(guī)范對(duì)于SEB試樣均推薦了關(guān)系a/w=f(C0),因此法理上可以實(shí)現(xiàn)Up求解。但是,在幾乎所有用于延性斷裂韌性測(cè)試的歷史、現(xiàn)行規(guī)范中,既未推薦采用直通型FFCT試樣,又未提供a/w=f(C0)關(guān)系,因而MTS公司推薦的基于FFCT試樣JIC柔度測(cè)試方法論述模糊并與規(guī)范法理有距離。因此,對(duì)于采用FFCT試樣和SEB試樣測(cè)試JIC問(wèn)題,可提出三個(gè)方面改進(jìn)意見(jiàn):(1)基于SEB的現(xiàn)行方法描述為(P,ν0)→C0→a/w=f(C0)→CLL=f(a/w)→νLLmax=PmaxCLL→Up,其中過(guò)程ν0→νLL需要三個(gè)方程,為簡(jiǎn)化過(guò)程,可提出單一關(guān)系νLL/ν0=f(a/w)并結(jié)合CLL=νLLmax/Pmax以優(yōu)化Up求解;(2)可以提出直通型FFCT試樣的單一關(guān)系νLL/ν0=f(a/w)及CLL=νLLmax/Pmax來(lái)求解塑性功Up;(3)MTS公司專用JIC測(cè)試軟件既然長(zhǎng)期采用了直通型FFCT試樣及柔度法,現(xiàn)行規(guī)范應(yīng)可加以推薦,并提供關(guān)系a/w=f(C0)或關(guān)系νLL/ν0=f(a/w)。近期文獻(xiàn)曾提出了FFCT試樣和SEB試樣的ν0/νLL=f(a/w)關(guān)系。為便于應(yīng)用和減小誤差,現(xiàn)特提出如下νLL/ν0=φ(a/w)關(guān)系:其中系數(shù)d0~d5由表1給出。該式回歸數(shù)值結(jié)果的相對(duì)誤差均未超過(guò)0.05%。采用直通型FFCT試樣和SEB試樣對(duì)金屬材料采用柔度法測(cè)試JIC,意義較為顯著:適應(yīng)不同標(biāo)距的COD引伸計(jì),適用于大、小尺寸試樣,對(duì)FFCT試樣適用于高溫測(cè)試。2.2最佳彈性模量的確定當(dāng)COD引伸計(jì)測(cè)量直通型CT試樣裂紋嘴張開(kāi)位移ν0時(shí),國(guó)標(biāo)GB/T6398-2000和美標(biāo)ASTME399-90A4.5.6(升級(jí)版E399-05A4.5.5)給出了常數(shù)不同的a/w-Ux(無(wú)量剛?cè)岫?兩個(gè)多項(xiàng)式關(guān)系式。計(jì)算表明,這兩個(gè)5階多項(xiàng)式描述的a/w結(jié)果在0.2≤a/w≤0.975范圍內(nèi)十分接近,兩者描述的a/w-Ux關(guān)系表現(xiàn)為典型的線性律,其相對(duì)誤差未超過(guò)0.1%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),CT試樣的剩余韌帶寬b與柔度參數(shù)Ux符合如下簡(jiǎn)化關(guān)系:其中E為有效彈性模量(EffectiveYoung’smodulus),C0為FFCT試樣的卸載柔度。這一簡(jiǎn)化算式與ASTM標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果相比,當(dāng)0.25≤a/w≤0.975時(shí)最大相對(duì)誤差未超過(guò)0.8%,當(dāng)0.50≤a/w≤0.975,相對(duì)誤差均未超過(guò)0.3%。由式(2)可得有效彈性模量E關(guān)于a/w、BC的簡(jiǎn)化算式為:該算式相較國(guó)標(biāo)GB2038-91B5.2.2.1和美標(biāo)ASTME813-89A2.5.4的推薦式而言,常數(shù)從6個(gè)降為1個(gè)(3.187),且采用直通型FFCT試樣,加工與測(cè)試均較方便。需要指出,式(3)給出的有效彈性模量與平面應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),較薄厚度測(cè)出的有效彈性模量可以作為材料彈性模量。當(dāng)厚度很大時(shí),試樣處于平面應(yīng)變狀態(tài),此時(shí)材料的彈性模量應(yīng)為式(3)結(jié)果除以1-ν2。2.3astm的j積分迭代算式為了方便材料試驗(yàn)機(jī)JIC測(cè)試軟件中實(shí)時(shí)計(jì)算各級(jí)卸載下的J積分,可直接測(cè)量多次卸載下的Pi-νLLi試驗(yàn)關(guān)系,進(jìn)而獲得多次卸載柔度CiLL。從1981年起,ASTM813、ASTM1820的不同版本均給出了迭代式J積分計(jì)算公式,但并未給出增量塑性功ΔUPi(對(duì)應(yīng)ASTM1820A1.9式中的APLi-APLi-1)關(guān)于測(cè)量值Pi、ViLL和CiLL的展開(kāi)式。為此文獻(xiàn)根據(jù)推導(dǎo)出了如下迭代算式:該算式可用于計(jì)算當(dāng)前卸載下的J積分:該式經(jīng)變換推導(dǎo)還可表為:這個(gè)新算式的結(jié)構(gòu)與ASTME1820-06相同,但是對(duì)SEB試樣,在ASTME1820-06A1.4.2(A1.8式)中,βi-1=1.9/bi-1,γi-1=1,在ASTME813-81中βi-1=2/bi-1,γi-1=1;對(duì)缺口式LLCT試樣(加載線上測(cè)COD),在ASTM1820-06A2.4.2(A2.8式)中βi-1表達(dá)與上式相同,而γi-1=1.0+0.76bi-1/w。對(duì)βi-1和γi-1,在ASTM規(guī)范升級(jí)中其表達(dá)式有所改變,并與式(6)中的推導(dǎo)式有所差異,可以認(rèn)為ASTM規(guī)范中的βi-1和γi-1表達(dá)有經(jīng)驗(yàn)成分。需要說(shuō)明的是,采用理論推式(6)還是采用ASTM的經(jīng)驗(yàn)算式不應(yīng)帶來(lái)J積分總量計(jì)算結(jié)果的顯著誤差,文獻(xiàn)對(duì)鈦合金J積分測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較分析,表明理論推式計(jì)算結(jié)果、MTS790.50結(jié)果和ASTM算式結(jié)果實(shí)際上是十分接近的。目前MTS790.50斷裂韌性測(cè)試軟件中采用了ASTM標(biāo)準(zhǔn)中卸載柔度法所需的J積分迭代算式。不過(guò)在ISO12135-02和GB/T21143-2007標(biāo)準(zhǔn)的單試樣法指導(dǎo)中并未推薦上式,應(yīng)當(dāng)說(shuō)這是ISO12135-02規(guī)范和國(guó)家新規(guī)范GB/T21143-2007在柔度法或單試樣法應(yīng)用中的缺失,希望在未來(lái)的規(guī)范修訂中加以增列。2.4試驗(yàn)方法和測(cè)試問(wèn)題的分析在采用柔度法進(jìn)行的裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試中,試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用軟件(如MTS790.40)會(huì)實(shí)時(shí)采集P、ν(COD)信號(hào),通過(guò)分析試樣柔度變化來(lái)測(cè)算裂紋擴(kuò)展量。理論上,只要不出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展,各循環(huán)中的P-ν關(guān)系應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)為線性關(guān)系,但實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)P-ν關(guān)系存在如圖1所示的滯后效應(yīng)。文獻(xiàn)對(duì)這種滯后效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析,結(jié)論是P-ν關(guān)系滯后效應(yīng)來(lái)自具有一定質(zhì)量的COD引伸計(jì)所產(chǎn)生的循環(huán)慣性力,使得COD位移ν包含了慣性力附加位移。MTS790.40軟件克服滯后效應(yīng)的方法是試驗(yàn)前在參數(shù)表中事先設(shè)定UpperLSF和LowerLSF選項(xiàng),這兩個(gè)選項(xiàng)意圖是規(guī)定圖1所示滯回環(huán)的載荷中間位置,只要認(rèn)為載荷介于其中,則P-ν關(guān)系近似為線性,于是所對(duì)應(yīng)的裂紋計(jì)算長(zhǎng)度就真實(shí)。然而,許多試驗(yàn)機(jī)用戶十分困惑的是有時(shí)無(wú)論如何設(shè)定UpperLSF和LowerLSF選項(xiàng),所預(yù)測(cè)的裂紋長(zhǎng)度誤差仍然很大,相應(yīng)的da/dN規(guī)律根本不正確。認(rèn)識(shí)到當(dāng)循環(huán)頻率超出一定范圍將產(chǎn)生過(guò)大的P-ν滯后效應(yīng)將有助于克服測(cè)試問(wèn)題?？朔髥?wèn)題有如下三種方法:(1)COD通道信號(hào)濾波法對(duì)于諸如MTS的先進(jìn)材料試驗(yàn)機(jī),均在系統(tǒng)軟件中提供了傳感器通道的信號(hào)濾波功能,打開(kāi)濾波功能開(kāi)關(guān)將在輸出信號(hào)中濾掉周期性干擾波。由于COD的慣性附加位移具有周期性,因而容易濾除。(2)COD引伸計(jì)的附加位移測(cè)定方法對(duì)于沒(méi)有濾波功能或?yàn)V波效果不佳的試驗(yàn)條件,可以考慮適當(dāng)降低頻率使得存在圖1中P-ν關(guān)系的中間線性段,進(jìn)而取出相應(yīng)P、ν數(shù)據(jù)求解裂紋長(zhǎng)度a。采用CT試樣的兩個(gè)對(duì)開(kāi)部分,按如圖2所示方法裝卡在上下夾具上,COD引伸計(jì)也一并安裝。在不同疲勞頻率和位移幅值下進(jìn)行LVDT試驗(yàn)并記錄COD引伸計(jì)的位移和LVDT位移。由于圖2測(cè)試方式使得試驗(yàn)機(jī)無(wú)載荷輸出,則試驗(yàn)機(jī)剛度相對(duì)無(wú)限大,因此LVDT可以作為CT試樣的真實(shí)COD位移,而COD引伸計(jì)位移扣除LVDT位移就得到了COD引伸計(jì)因疲勞引起的附加慣性位移。圖3給出了某MTS809不同頻率、不同LVDT位移幅下的COD附加位移與LVDT位移的關(guān)系曲線。可見(jiàn)頻率越低,COD附加位移越大。無(wú)論何種疲勞條件,只要存在附加位移平臺(tái),則CT試樣的P-ν曲線上必然存在線性區(qū),這樣在給定的疲勞試驗(yàn)條件下(頻率、位移幅),MTS790.40參數(shù)UpperLSF和LowerLSF設(shè)置就具有可用性。推薦的試驗(yàn)方法可以切實(shí)給出在疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)條件COD引伸計(jì)的附加位移值,有利于確定特定疲勞位移幅下選擇合適的試驗(yàn)頻率和了解UpperLSF和LowerLSF的可調(diào)性。(3)試驗(yàn)機(jī)軟件中設(shè)計(jì)降頻處理方法材料疲勞試驗(yàn)機(jī)的da/dN測(cè)試軟件測(cè)定裂紋長(zhǎng)度通常在連續(xù)等頻率條件下測(cè)量試樣柔度,有時(shí)在軟件控制狀態(tài)下允許暫時(shí)保持設(shè)備靜止,靠人工目測(cè)裂紋長(zhǎng)度后臨時(shí)輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù),再繼續(xù)啟動(dòng)設(shè)備?，F(xiàn)行方法可能存在COD引伸計(jì)慣性附加位移效應(yīng)和人工目測(cè)存在精度低問(wèn)題。為避免裂紋長(zhǎng)度測(cè)試可能不準(zhǔn)的問(wèn)題,一個(gè)現(xiàn)實(shí)的方法是試驗(yàn)機(jī)商家改進(jìn)軟件功能,實(shí)現(xiàn)循環(huán)間隙降頻,在載荷比R為0.5~0.7下允許完成在2~3周低頻循環(huán),以精確獲得試樣裂紋長(zhǎng)度的柔度測(cè)試。無(wú)論是J阻力曲線測(cè)試還是裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試中,當(dāng)某些材料試樣取R=0.1而相應(yīng)裂紋長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確時(shí),經(jīng)驗(yàn)范圍R∈(0.5,0.7)均可推薦采用。文獻(xiàn)基于降頻測(cè)試原理開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于MTS的da/dN試驗(yàn)控制程序和數(shù)據(jù)處理程序,實(shí)現(xiàn)了軌道鋼和車軸鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率的測(cè)試與分析。2.5JIC測(cè)試中柔度修正問(wèn)題新解2.5.1柔度轉(zhuǎn)動(dòng)修正圖4給出了在J-R阻力曲線的卸載柔度測(cè)試中,試樣裂紋面會(huì)不同程度發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng),若轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小,轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)彈性柔度測(cè)量的影響效應(yīng)可以忽略不計(jì),GB/T2038-91的附錄B5.2.2.2及ASTME813-89的附錄A2.5.7中均指出:當(dāng)CT試樣(MTS:LLCT)在試驗(yàn)中產(chǎn)生很大塑性變形(轉(zhuǎn)動(dòng)角度較大)時(shí),為了精確估算裂紋擴(kuò)展量,彈性柔度測(cè)試結(jié)果需要作轉(zhuǎn)動(dòng)修正。在ASTME1820-99~ASTME1820-06各版本標(biāo)準(zhǔn)的附錄A2.4.4中,未聲明一定要在試樣發(fā)生很大塑性變形程度才需作轉(zhuǎn)動(dòng)修正,意味著在CT試樣第一次卸載級(jí),就可開(kāi)始對(duì)彈性柔度作修正。ISO12135-2002(E)的附錄H5.4中及GB/T21143-2007的附錄I5.4中完全采用了ASTM標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)修正的內(nèi)容。事實(shí)上所有規(guī)范采用的修正方法源于1978年NRL美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室GrayR.A.的一篇年度研究報(bào)告,該文獻(xiàn)中并未給出柔度轉(zhuǎn)動(dòng)修正公式的推導(dǎo)細(xì)節(jié)。為便于展開(kāi)討論,圖4給出了加載線上COD初始標(biāo)距(刀口距離)為D,銷釘孔中心間距為2H的LLCT試樣的幾何構(gòu)形圖。國(guó)際國(guó)內(nèi)的所有歷史、現(xiàn)行規(guī)范均提供了如下同一柔度修正公式:式中:Cm—加載線的測(cè)試彈性柔度;Cc—修正彈性柔度。式中:dm—加載線測(cè)量位移。事實(shí)上,該柔度轉(zhuǎn)動(dòng)修正公式存在幾個(gè)問(wèn)題:(1)柔度Cm和Cc的確切定義在各規(guī)范中均未作交待;(2)關(guān)于式(7)的圖解,美國(guó)歷史標(biāo)準(zhǔn)ASTME813-89和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ASTME1820-06(含99、01等版本)存在如圖5(a)、圖5(b)所示的明顯差異,比如既然ASTM各規(guī)范圖解中均標(biāo)明H為銷釘孔中心之間初始跨距的一半,那么圖5中Pm加載點(diǎn)的幾何位置應(yīng)當(dāng)就是LLCT試樣銷釘孔的中心位置;其次,各規(guī)范均假定CT試樣裂紋面和上下懸臂的轉(zhuǎn)動(dòng)近似為剛性轉(zhuǎn)動(dòng),因此A01A1段應(yīng)為A0A段的剛性轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果,即A01A1段長(zhǎng)度依然為D,A1點(diǎn)為A點(diǎn)的映像點(diǎn),角度∠OA01A1應(yīng)為90°,因此圖5(b)幾何概念應(yīng)當(dāng)與圖5(a)完全相同,但圖5(b)存在明顯謬誤;(3)ISO12135-2002(E)甚至連圖解都沒(méi)有提供;(4)假定D=H,即COD引伸計(jì)虛擬裝卡位置為CT試樣銷釘孔中心時(shí),虛擬測(cè)試柔度和加載線上的真實(shí)柔度應(yīng)當(dāng)一致(假設(shè)試樣發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)),但將D=H代入式(7)中不能得到CC=CM的結(jié)論;(5)各標(biāo)準(zhǔn)均未提出建議:在何種條件下測(cè)試柔度可不作轉(zhuǎn)動(dòng)修正;(6)GrayR.A.將轉(zhuǎn)動(dòng)中心O假設(shè)為試樣韌帶的中心,即R=(W+a)/2,但事實(shí)上,CT試樣的轉(zhuǎn)動(dòng)中心應(yīng)同裂紋尖端區(qū)域材料的彈塑性行為有關(guān),作者近期研究已有足夠證據(jù)表明該假設(shè)偏于錯(cuò)誤。2.5.2表征柔度公式的修正由于難以得到GrayR.A.所作原始柔度修正公式推導(dǎo)細(xì)節(jié),以及ASTME813、E1820各版標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)式(7)中柔度Cm和Cc并未給出確切定義,本文特提出如圖6所示的轉(zhuǎn)動(dòng)柔度新圖解,并定義CT試樣的彈性柔度為加載線上理想裂紋面(兩銷釘孔對(duì)稱面)張開(kāi)位移與載荷之比,于是可給出修正(真實(shí))柔度Cc的如下定義式:式中2νLL為如圖6所示銷釘孔中心連線上理想裂紋面張開(kāi)位移,當(dāng)忽略裂紋面與銷釘孔之間材料彈性變形(CT試樣剛性旋轉(zhuǎn)假設(shè)的基礎(chǔ)),則νLL可理解為CT試樣加載線上對(duì)稱加載點(diǎn)之間的相對(duì)位移。如果將圖4中COD引伸計(jì)刀口連線近似理解為加載線,則裂紋面張開(kāi)位移2νm與載荷Pm之比可定義為測(cè)試柔度Cm:式中2νm為如圖4、圖6所示兩COD刀口端連線上理想裂紋面的張開(kāi)位移。由圖6可知,若存在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中假定的CT試樣轉(zhuǎn)動(dòng)中心O,已知A1A12=D+dm/2及OA1=(D2+R2)1/2,∠A1OA01=tan-1(D/R),那么sin(θ+∠A1OA01)=A1A12/OA1,于是理想裂紋面繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心O的發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ可表示為:該式就是式(7)的CT試樣的轉(zhuǎn)動(dòng)角度表達(dá)式。再由圖6可知:OA2=νLL/sin(θ),A2A01=H·tan(θ)及R=OA2+A2A01,則:同理可推導(dǎo)出:根據(jù)定義式(8)和式(9),可得修正柔度與測(cè)量柔度之比,即柔度修正新公式I為:根據(jù)該式,當(dāng)轉(zhuǎn)角θ很小及D=H時(shí),柔度可以不作修正。顯然柔度修正新式(13)更符合實(shí)際。因此,有理由相信,國(guó)際、國(guó)內(nèi)規(guī)范近20年一直沿用的考慮CT試樣轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的柔度修正公式應(yīng)該是不正確的。在應(yīng)用現(xiàn)行規(guī)范時(shí),如果按約定俗成,CT試樣測(cè)試柔度可定義為:進(jìn)而,根據(jù)式(8),式(11),式(14)可推薦如下柔度修正新公式II:2.5.3裂紋前繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角當(dāng)采用FFCT試樣時(shí),真實(shí)柔度定義為:式中νmFF為圖7所示試樣裂紋端面上下刀口連線上理想裂紋面張開(kāi)位移,可表為:裂紋面繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角θFF可表達(dá)為:dmFF為圖7所示FFCT試樣裂紋嘴端面上兩刀口之間的張開(kāi)位移CMOD測(cè)試結(jié)果;考慮轉(zhuǎn)動(dòng)中心仍然取為L(zhǎng)LCT試樣位置,則轉(zhuǎn)動(dòng)中心距FFCT試樣裂紋嘴初始端面的距離:定義測(cè)試柔度為:由式(16),式(17),式(19)可得FFCT試樣柔度轉(zhuǎn)動(dòng)修正式III:2.5.4修正柔度結(jié)果為便于了解柔度受轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的偏差程度,對(duì)于常用LLCT試樣,假定:H=0.375w,D=2.5mm,a=25mm或a=30mm。圖8給出了基于式(13)的測(cè)試柔度與修正柔度的相對(duì)誤差e隨測(cè)試COD引伸計(jì)測(cè)試值dm的變化情況和基于式(15)的dm-e曲線,圖中一并給出了根據(jù)ASTM規(guī)范修正式(7)得到dm-e曲線。圖中表明,裂紋長(zhǎng)度a較大時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)相對(duì)明顯,ASTM的dm-e曲線顯著高于式(13),式(15)對(duì)應(yīng)的dm-e曲線,而式(15)的dm-e曲線略高于式(13)的結(jié)果。在dm∈(0,5)內(nèi),基于式(13),式(15)的修正柔度與測(cè)試柔度之間的最大相對(duì)誤差均未超過(guò)3%,基于ASTM公式(7)的最大相對(duì)誤差結(jié)果超過(guò)4%。若dm取某MTSCOD引伸計(jì)量程dmmax=4mm,則θ=3.068°,此時(shí)按照式(13)得到LLCT試樣柔度的相對(duì)誤差e=(Cc-Cm)/Cc=2%。而按式(15),LLCT試樣柔度的相對(duì)誤差e=(Cc-Cm)/Cc=2.3%.當(dāng)采用LLCT試樣,圖8表明,若dm<0.9mm(θ<0.64°),測(cè)試柔度相對(duì)于式(13),式(15)的修正柔度的誤差未超過(guò)0.5%,此時(shí)柔度轉(zhuǎn)動(dòng)修正可以考慮忽略。3高溫?cái)嗔训难芯繅毫θ萜?、管道、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等核電、熱電、航空工程結(jié)構(gòu)不可避免存在高溫?cái)嗔褑?wèn)題,材料的高溫?cái)嗔秧g性、裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)是關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo),所以高溫?cái)嗔褑?wèn)題一直被工程界、學(xué)術(shù)界關(guān)心。高溫?cái)嗔褱y(cè)試面臨的不僅是孤立的測(cè)試手段問(wèn)題,更重要的是涉及到斷裂力學(xué)、蠕變、棘輪(Ratcheting)、徐變、時(shí)相關(guān)等復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題,因此高溫?cái)嗔蚜W(xué)測(cè)試技術(shù)還處在一個(gè)發(fā)展的過(guò)程,至今我國(guó)還沒(méi)有制定出甚至是推薦式的高溫?cái)嗔秧g性、疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3.1拉拔試驗(yàn)用柔度法預(yù)測(cè)裂紋長(zhǎng)度原則上,應(yīng)用高精度高溫位移傳感器和特制高溫爐可以實(shí)現(xiàn)柔度法在高溫?cái)嗔秧g性測(cè)試中的應(yīng)用,但因高溫影響因素相對(duì)復(fù)雜,柔度法應(yīng)用受到較大限制。近來(lái)有一些工作試圖通過(guò)采用LVDT來(lái)測(cè)試試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器位移或用附加位移引伸桿加常溫位移傳感器在斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展方面進(jìn)行了高溫柔度測(cè)試嘗試。由于試樣加載線上的COD位移為間接測(cè)量,測(cè)量信號(hào)包含了加載線上裂紋面張開(kāi)位移ν裂紋、試驗(yàn)機(jī)加載鏈附加位移ν夾持系統(tǒng)和無(wú)裂紋試樣的加載點(diǎn)位移ν無(wú)裂紋,原理上只要精確扣除位移附加信號(hào)ν夾持系統(tǒng)+ν無(wú)裂紋則柔度法可以采用,但必須注意測(cè)得的裂紋長(zhǎng)度偏差不應(yīng)超過(guò)±0.002w或裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度增量不超過(guò)0.02w~0.04w(GB/T6398-2000的條款6.4)。否則因初始柔度標(biāo)定獲得的彈性模量并非真實(shí)材料常數(shù)、后繼柔度不是試樣真實(shí)柔度,那么繼續(xù)在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中沿用裂紋長(zhǎng)度柔度計(jì)算公式,其預(yù)測(cè)精度不會(huì)得到保證。TomasMansson所用方法在裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的高溫柔度測(cè)試中較為典型,裂紋嘴張開(kāi)位移CMOD采用如圖10所示的LVDT引伸機(jī)構(gòu),應(yīng)用該方法必須注意安裝在試樣上的LVDT引伸機(jī)構(gòu)的安裝剛性、與試樣裂紋面垂直度、疲勞穩(wěn)定性以及LVDT具有高精度級(jí),其次LVDT機(jī)構(gòu)存在一定質(zhì)量,在疲勞加載高頻往復(fù)中會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生附加反向動(dòng)力,且引伸桿測(cè)到的位移并不精確代表試樣裂紋嘴真實(shí)位移,應(yīng)精確測(cè)量引伸桿軸線與加載線之間的距離以精確預(yù)測(cè)裂紋長(zhǎng)度。該方法不適合高溫?cái)嗔秧g性測(cè)試和小試樣裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試。國(guó)內(nèi)曾有工作采用在CT試樣裂紋面一側(cè)對(duì)稱安裝細(xì)短延伸釘桿的“栽釘法”,該方法的原意是將如圖11所示的自制的、有一定彈性張力的弓形COD引伸計(jì)(與文獻(xiàn)附錄II推薦的弓形夾式引伸計(jì)相似)裝卡在兩個(gè)栽釘之間,靠弓形彈性張力實(shí)現(xiàn)夾持,缺點(diǎn)是這種引伸計(jì)并無(wú)耐高溫引伸桿,測(cè)試結(jié)果應(yīng)會(huì)存在溫度影響,且難保證側(cè)向裝卡穩(wěn)定性。事實(shí)上MTS已經(jīng)提供了有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)的專用MTS高溫COD引伸計(jì)和高溫爐,可應(yīng)用于高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試,不過(guò),現(xiàn)有MTS高溫COD引伸計(jì),如MTS632.85f-03(圖12),采用石英玻璃引伸桿,其標(biāo)距較大僅適合大尺寸CT試樣,且只能在裂紋嘴處測(cè)裂紋張開(kāi)位移ν0,難實(shí)現(xiàn)加載線裂紋張開(kāi)位移νLL(文獻(xiàn)中為ν),因此用于卸載柔度法測(cè)材料延性斷裂韌性JIC時(shí)需要便于計(jì)算塑性功Up(文獻(xiàn)中為APL)的ν0-νLL轉(zhuǎn)換公式,該公式當(dāng)前各規(guī)范均未提供。柔度法對(duì)小尺寸CT試樣和SEB試樣的高溫?cái)嗔褱y(cè)試至今仍然十分困難,相應(yīng)設(shè)備、方法報(bào)道較少。對(duì)于受限于結(jié)構(gòu)材料尺寸,小尺寸試樣受到關(guān)注,最近文獻(xiàn)為考察滲氫效應(yīng),受限于鋯合金管道尺寸(準(zhǔn)88×4)制作了如圖13所示的直通型裂紋CT小試樣(寬w∶17mm),在感應(yīng)加熱環(huán)境下完成了300℃高溫下斷裂韌性測(cè)試。值得注意的是,文中柔度法所測(cè)量的是載荷與裂紋嘴張開(kāi)位移(CMOD),其工作主要依據(jù)ASTME1737-96標(biāo)準(zhǔn)(升級(jí)版ASTME1820-06),但采用何種手段測(cè)量CMOD以及基于加載線COD的J積分塑性功如何獲得,在文中均未作交待。3.2ffct試樣高溫應(yīng)變引伸計(jì)及疲勞性能測(cè)試高溫位移測(cè)試包括高溫應(yīng)變引伸計(jì)和如圖10所示具有裝卡彈性張力的MTS專用高溫COD引伸計(jì),后者可用于延性斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試,其頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好,只要試樣尺寸允許及高溫爐尺寸與引伸計(jì)匹配,高溫柔度測(cè)試并無(wú)突出困難。應(yīng)用MTS專用高溫COD引伸計(jì)仍然要按濾波或降頻法克服引伸計(jì)慣性力附加位移效應(yīng),對(duì)小尺寸試樣有應(yīng)用局限性。高溫CMOD測(cè)試方式除采用圖10、圖12方式外,本文基于高溫應(yīng)變引伸計(jì)通過(guò)打點(diǎn)接觸試樣實(shí)現(xiàn)高溫CMOD測(cè)試方式,提出了稱為點(diǎn)觸式高溫柔度測(cè)試法,該方法近來(lái)得到發(fā)展并在疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試中獲得應(yīng)用。圖14是本文采用高溫應(yīng)變引伸計(jì)(標(biāo)距為25mm的MTS632.68F)、自制專用高溫爐、高溫試樣夾具完成CT試樣高溫疲勞裂紋速率的應(yīng)用照片。新方法的技術(shù)特點(diǎn)和面臨問(wèn)題是:(1)采用原本用于材料高溫拉伸、單多軸高溫疲勞的高溫應(yīng)變引伸計(jì);(2)在FFCT試樣裂紋嘴上下端面對(duì)稱打點(diǎn),使得高溫應(yīng)變引伸計(jì)的引伸桿錐形端可接觸安裝在所打的錐形凹點(diǎn)中;(3)柔度測(cè)量是否存在引伸計(jì)標(biāo)距效應(yīng)?(4)柔度測(cè)量是否存在加載比效應(yīng);(5)高溫應(yīng)變引伸計(jì)用于疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試,頻率效應(yīng)是否更突出?提出克服(3)、(4)、(5)問(wèn)題的解決途徑是決定新方法可行性的基礎(chǔ)。當(dāng)CT試樣裂紋張開(kāi)位移并不很大,即FFCT試樣裂紋嘴上下端面旋轉(zhuǎn)角度較小時(shí),上述(1)、(2)方法測(cè)試CMOD是可行的。高溫應(yīng)變引伸計(jì)具有一定標(biāo)距,原則上標(biāo)距越小,應(yīng)用小試樣可能性越大,但需要注意:高溫引伸計(jì)的引伸桿在爐內(nèi)越長(zhǎng),或標(biāo)距與引伸桿長(zhǎng)之比越小,其動(dòng)態(tài)循環(huán)穩(wěn)定性會(huì)明顯降低。計(jì)算表明,FFCT試樣裂紋嘴端面存在較大范圍的零應(yīng)力區(qū),當(dāng)上下端面旋轉(zhuǎn)角度很小時(shí),處于零應(yīng)力狀態(tài)的裂紋嘴上下端面對(duì)稱點(diǎn)之間的張開(kāi)位移與標(biāo)距無(wú)關(guān)(圖15),因此對(duì)于寬度w不低于40mm的CT試樣,標(biāo)距為25mm、12.5mm的高溫應(yīng)變引伸計(jì)可用以測(cè)試FFCT試樣的CMOD。由于疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)